CN105306055A - 原子共振跃迁装置、原子振荡器、电子设备以及移动体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供原子共振跃迁装置、原子振荡器、电子设备以及移动体，所述原子共振跃迁装置能够提高频率稳定度，此外，所述原子振荡器、电子设备以及移动体具有该原子共振跃迁装置。本发明的原子共振跃迁装置具有：气室(2)，其具有封入有碱金属的内部空间(S)；光射出部(3)，其朝碱金属射出激励光(LL)，该激励光(LL)包含使碱金属共振的共振光对；以及磁场产生部(8)，其对碱金属施加磁场，其中，在内部空间(S)中，激励光(LL)光的宽度随着从激励光(LL)的入射侧朝向出射侧而扩大，来自磁场产生部(8)的磁场具有强度在内部空间(S)中随着从激励光(LL)的入射侧朝向出射侧而增大的部分。
Description
技术领域
本发明涉及原子共振跃迁装置、原子振荡器、电子设备以及移动体。
背景技术
作为长期具有高精度的振荡特性的振荡器，公知有基于铷、铯等碱金属的原子的能量跃迁而进行振荡的原子振荡器。
通常，原子振荡器的工作原理大致分为利用光与微波的双重共振现象的方式和利用基于波长不同的两种光的量子干涉效应(CPT：CoherentPopulationTrapping(相干布居俘获))的方式。
无论在哪个方式的原子振荡器中，通常，都是将碱金属封入气室(原子室)内，利用加热器将气室加热到规定温度，以使该碱金属保持固定的气体状态。
此外，在这样的原子振荡器中，如专利文献1中公开的那样，在气室的周围配置线圈，利用该线圈产生稳定磁场，由此，使气室内的碱金属原子的简并后的多个能量能级进行分裂(塞曼分裂)。例如，在专利文献1中记载的原子振荡器中，为了提高频率稳定度，谋求气室内的磁场的均匀化。
另外，随着近年来的原子振荡器的小型化的需求，要求气室的小型化以及减小气室与光源之间的距离。但是，在气室与光源之间的距离减小时，不能在气室与光源之间配置准直透镜，或者即使能够配置，也不能使气室内的光成为平行光。因此，即便使气室内的磁场变得均匀，由于光量密度越大则频率越高这样的、被称作光偏移(LightShift)的现象的影响，由原子共振现象而产生的EIT信号成为扭曲的形状，其结果是，存在频率稳定度下降这样的问题。
专利文献1：日本特开2010-287937号公报
发明内容
本发明的目的是提供能够提高频率稳定度的原子共振跃迁装置，此外，提供具有该原子共振跃迁装置的原子振荡器、电子设备以及移动体。
本发明是为了解决上述的问题的至少一部分而完成的，其能够作为以下的方式或者应用例来实现。
[应用例1]
本发明的原子共振跃迁装置的特征在于，具有：原子室，其具有封入有金属的内部空间；光射出部，其朝所述金属射出光，该光包含使所述金属共振的共振光对；以及磁场施加单元，其对所述金属施加磁场，在所述内部空间中，所述光的宽度随着从所述光的入射侧朝向出射侧而扩大，所述磁场具有强度在所述内部空间中随着从所述光的入射侧朝向出射侧而增大的部分。
根据这样的原子共振跃迁装置，在原子室的内部空间中，随着从光的入射侧朝向出射侧，来自光射出部的光量密度减小，另一方面，磁场的强度增大。因此，能够使光量密度越大则频率越高的现象即光偏移导致的频率变动与磁通密度越大则频率越高的现象即塞曼偏移导致的频率变动相互抵消或缓和。因此，降低了因原子共振现象而产生的EIT信号的扭曲，其结果是，能够提高频率稳定度。
[应用例2]
在本发明的原子共振跃迁装置中，优选的是，所述磁场的强度在所述内部空间中随着从所述光的入射侧朝向出射侧而连续或断续地增大。
由此，能够有效地使光偏移导致的频率变动与塞曼偏移导致的频率变动相互抵消或缓和。
[应用例3]
在本发明的原子共振跃迁装置中，优选的是，所述磁场施加单元具有沿着所述光的行进方向配置的线圈。
由此，能够以比较简单的结构，在原子室的内部空间中产生磁场，该磁场的强度随着从光的入射侧朝向出射侧而连续或断续地增大。
[应用例4]
在本发明的原子共振跃迁装置中，优选的是，所述线圈包含随着远离所述光射出部而匝数增大的部分。
由此，能够以比较简单的结构，在原子室的内部空间中产生磁场，该磁场的强度随着从光的入射侧朝向出射侧而连续或断续地增大。
[应用例5]
在本发明的原子共振跃迁装置中，优选的是，所述线圈包含随着远离所述光射出部而与所述光的轴线之间的距离减小的部分。
由此，能够以比较简单的结构，在原子室的内部空间中产生磁场，该磁场的强度随着从光的入射侧朝向出射侧而连续或断续地增大。
[应用例6]
在本发明的原子共振跃迁装置中，优选的是，所述磁场施加单元具有磁场调整部件，该磁场调整部件被配置在所述线圈与所述内部空间之间并具有磁屏蔽性。
由此，能够以比较简单的结构，在原子室的内部空间中产生磁场，该磁场的强度随着从光的入射侧朝向出射侧而连续或断续地增大。
[应用例7]
在本发明的原子共振跃迁装置中，优选的是，所述磁场调整部件具有随着远离所述光射出部而磁屏蔽性降低的部分。
由此，能够以比较简单的结构，在原子室的内部空间中产生磁场，该磁场的强度随着从光的入射侧朝向出射侧而连续或断续地增大。
[应用例8]
在本发明的原子共振跃迁装置中，优选的是，所述内部空间中的所述光的放射角超过0°且为90°以下。
由此，即使减小光射出部与原子室之间的距离，也能够有效地利用来自光射出部的光来产生原子共振现象。
[应用例9]
本发明的原子振荡器的特征在于具有本发明的原子共振跃迁装置。
由此，能够提供具有优异的频率稳定度的原子振荡器。
[应用例10]
本发明的电子设备的特征在于具有本发明的原子共振跃迁装置。
由此，可提供具有能够提高频率稳定度的原子共振跃迁装置的电子设备。
[应用例11]
本发明的移动体的特征在于具有本发明的原子共振跃迁装置。
由此，可提供具有能够提高频率稳定度的原子共振跃迁装置的移动体。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施方式的原子振荡器(原子共振跃迁装置)的概略图。
图2是用于说明碱金属的能量状态的图。
图3是示出从光射出部射出的两种光的频率差与由光检测部检测出的光的强度之间的关系的曲线图。
图4的(a)是示出图1所示的原子振荡器具有的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图，图4的(b)是示出(a)所示的原子室中的磁场强度(磁通密度)的分布的曲线图。
图5是用于说明光偏移的曲线图。
图6的(a)是示出作用于原子室内的金属的光的光量密度与频率偏移量之间的关系(光偏移)的曲线图，图6的(b)是示出作用于原子室内的金属的磁场的磁通密度与频率偏移量之间的关系(塞曼偏移)的曲线图。
图7是示出本发明的第2实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
图8是示出本发明的第3实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
图9是示出本发明的第4实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
图10是示出本发明的第5实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
图11是示出本发明的第6实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
图12是示出本发明的第7实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
图13是示出本发明的第8实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
图14是示出在利用了GPS卫星的定位系统中使用本发明的原子振荡器的情况下的概略结构的图。
图15是示出本发明的移动体的一例的图。
标号说明
1：原子振荡器；2：气室；3：光射出部；5：光检测部；6：加热器；7：温度传感器；8：磁场产生部；8A：磁场产生部；8B：磁场产生部；8C：磁场产生部；8D：磁场产生部；8E：磁场产生部；8F：磁场产生部；8G：磁场产生部；10：控制部；11：温度控制部；12：激励光控制部；13：磁场控制部；21：主体部；22：窗部；23：窗部；42：光学部件；43：光学部件；44：光学部件；81：线圈；81A：线圈；81B：线圈；81C：线圈；81D：线圈；81E：线圈；81F：线圈；81G：线圈；81a：线圈；81b：线圈；81c：线圈；81d：线圈；82：磁场调整部件；100：定位系统；200：GPS卫星；211：贯通孔；221：入射面；231：出射面；300：基站装置；301：天线；302：接收装置；303：天线；304：发送装置；400：GPS接收装置；401：天线；402：卫星接收部；403：天线；404：基站接收部；1500：移动体；1501：车体；1502：车轮；d：距离；LL：激励光；S：内部空间；t：壁厚；t1：壁厚；t2：壁厚。
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施方式，对本发明的原子共振跃迁装置、原子振荡器、电子设备以及移动体进行详细说明。
1.原子振荡器(原子共振跃迁装置)
首先，对具有本发明的原子振荡器(本发明的原子共振跃迁装置的原子振荡器)进行说明。此外，以下，以在利用了量子干涉效应的原子振荡器中应用本发明的原子共振跃迁装置的例子进行说明，但本发明的原子共振跃迁装置不限于此，例如，也可以应用于利用了双重共振现象的原子振荡器或利用了量子干涉效应的磁性传感器、量子存储器等器件。
＜第1实施方式＞
图1是示出本发明的第1实施方式的原子振荡器(原子共振跃迁装置)的概略图。此外，图2是用于说明碱金属的能量状态的图，图3是示出从光射出部射出的两种光的频率差与由光检测部检测出的光的强度之间的关系的曲线图。
图1所示的原子振荡器1是利用量子干涉效应的原子振荡器。如图1所示，该原子振荡器1具有气室2(原子室)、光射出部3、光学部件42、43、44、光检测部5、加热器6、温度传感器7、磁场产生部8和控制部10。
首先，简单说明原子振荡器1的原理。
如图1所示，在原子振荡器1中，光射出部3朝气室2射出激励光LL，光检测部5检测透过了气室2的激励光LL。
在气室2内，封入有气体状的碱金属(金属原子)，碱金属如图2所示地具有三能级体系的能级，可得到能级不同的两个基态(基态1、2)和激发态这3个状态。此处，基态1是比基态2低的能量状态。
从光射出部3射出的激励光LL包含频率不同的2种共振光1、2，在向上述那样的气体状的碱金属照射这2种共振光1、2时，共振光1、2在碱金属中的光吸收率(光透过率)随着共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)而变化。
并且，在共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)和相当于基态1与基态2之间的能量差的频率一致时，分别停止从基态1、2激励成激发态。此时，共振光1、2均不被碱金属吸收而透过。这样的现象称作CPT现象或者电磁诱导透明现象(EIT：ElectromagneticallyInducedTransparency)。
此处，例如，如果光射出部3使固定共振光1的频率ω1并使共振光2的频率ω2变化，则在共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)与相当于基态1与基态2之间的能量差的频率ω0一致时，光检测部5的检测强度如图3所示那样陡峭地上升。这样的陡峭的信号作为EIT信号而检测出。该EIT信号具有由碱金属的种类决定的固有值。因此，能够使用这样的EIT信号来构成振荡器。
以下，对原子振荡器1的各部分依次进行详细说明。
[气室]
在气室2内，封入有气体状的铷、铯、钠等碱金属。此外，在气室2内，还可以根据需要，与碱金属气体一并封入有氩、氖等稀有气体、氮气等惰性气体作为缓冲气体。
详情后述，气室2具有：具有贯通孔的主体部；以及封闭该主体部的贯通孔的开口的一对窗部，由此形成封入有气体状的碱金属的内部空间。
[光射出部]
光射出部3(光源)具有射出对气室2中的碱金属原子进行激励的激励光LL的功能。
更具体而言，光射出部3能够射出上述那样的频率不同的两种光(共振光1和共振光2)来作为激励光LL，特别是能够射出上述共振光1和共振光2。共振光1能够将气室2内的碱金属从上述基态1激发(共振)到激发态。另一方面，共振光2能够将气室2内的碱金属从上述基态2激发(共振)到激发态。
作为该光射出部3，只要能够射出上述那样的激励光，则没有特别限定，例如，可以使用垂直共振器面发光激光器(VCSEL)等半导体激光器等。
此外，光射出部3被未图示的温度调节元件(发热电阻体、帕尔贴元件等)调温到规定温度。
[光学部件]
多个光学部件42、43、44分别设置在上述光射出部3与气室2之间的激励光LL的光路上。此处，从光射出部3侧到气室2侧，依次配置有光学部件41、光学部件42、光学部件43、光学部件44。
此外，在光射出部3与气室2之间的距离比较大的情况下，可以在光射出部3与气室2之间配置透镜。不过，随着原子振荡器1的小型化，在光射出部3与气室2之间的距离变小时，即使能够在光射出部3与气室2之间配置透镜，该透镜也很难使激励光LL成为平行光，而在气室2内成为扩散的光。
光学部件42是偏振光板。由此，能够将来自光射出部3的激励光LL的偏振光调整为规定方向。
光学部件43是减光滤光器(ND滤光器)。由此，能够调整(减小)入射到气室2的激励光LL的强度。因此，即使在光射出部3的输出较大的情况下，也能够使入射到气室2的激励光成为期望的光量。在本实施方式中，利用光学部件43来调整通过了上述光学部件42的具有规定方向的偏振光的激励光LL的强度。
光学部件44是λ/4波长板。由此，能够将来自光射出部3的激励光LL从线偏振光转换为圆偏振光(右圆偏振光或者左圆偏振光)。
如后所述，在气室2内的碱金属原子因磁场产生部8的磁场而发生塞曼分裂的状态下，如果向碱金属原子照射线偏振光的激励光，则由于激励光与碱金属原子的相互作用，碱金属原子均匀地分散存在于塞曼分裂后的多个能级。其结果是，由于期望的能级的碱金属原子的数量相对于其它能级的碱金属原子的数量相对地变少，因此显现期望的EIT现象的原子数减少，期望的EIT信号的强度降低，结果导致原子振荡器1的振荡特性的下降。
与此相对，如后所述，在气室2内的碱金属原子因磁场产生部8的磁场而进行塞曼分裂的状态下，如果向碱金属原子照射圆偏振光的激励光，则由于激励光与碱金属原子的相互作用，能够使碱金属原子进行塞曼分裂后的多个能级中的期望的能级的碱金属原子的数量相对于其它能级的碱金属原子的数量相对地变多。因此，发现期望的EIT现象的原子数增加，期望的EIT信号的强度增大，其结果是，能够提高原子振荡器1的振荡特性(尤其是频率稳定度)。
[光检测部]
光检测部5具有检测透过气室2内的激励光LL(共振光1、2)的强度的功能。
该光检测部5只要能够检测出上述那样的激励光，则没有特别限定，例如，可以使用太阳能电池、光电二极管等光检测器(受光元件)。
[加热器]
加热器6的(加热部)具有对上述气室2(更具体地是气室2中的碱金属)进行加热的功能。由此，能够使气室2中的碱金属维持为适当的浓度的气体状。
该加热器6例如构成为包含通过通电而发热的发热电阻体。
该发热电阻体可以设置成与气室2接触，也可以设置成不与气室2接触。
例如，在将发热电阻体设置成与气室2接触的情况下，在气室2的一对窗部分别设置发热电阻体。由此，能够防止碱金属原子在气室2的窗部上发生结露。其结果是，能够长期使原子振荡器1的特性(振荡特性)保持优异。这样的发热电阻体由具有对于激励光的透过性的材料构成，具体而言，例如由ITO(IndiumTinOxide：氧化铟锡)、IZO(IndiumZincOxide：氧化铟锌)、In3O3、SnO2、含Sb的SnO2、含Al的ZnO等氧化物等的透明电极材料构成。此外，发热电阻体例如可以使用等离子体CVD、热CVD那样的化学蒸镀法(CVD)、真空蒸镀等干式镀敷法、溶胶-凝胶法等来形成。
并且，在将发热电阻体设置成不与气室2接触的情况下，可以经由热传导性优异的金属等、陶瓷等部件从发热电阻体向气室2导热。
此外，加热器6只要能够对气室2进行加热，则不限于上述方式，可以使用各种加热器。此外，也可以使用帕尔贴元件替代加热器6或者与加热器6并用，来对气室2进行加热。
[温度传感器]
温度传感器7检测加热器6或者气室2的温度。进而，根据该温度传感器7的检测结果，控制上述加热器6的发热量。由此，能够使气室2内的碱金属原子维持期望的温度。
此外，温度传感器7的设置位置没有特别限定，例如可以在加热器6上，也可以在气室2的外表面上。
温度传感器7没有特别限定，可以使用热敏电阻、热电偶等公知的各种温度传感器。
[磁场产生部(磁场施加单元)]
磁场产生部8是对气室2内的碱金属施加磁场“磁场施加单元”。该磁场产生部8具有产生磁场的功能，该磁场使气室2内的碱金属的简并后的多个能级发生塞曼分裂。由此，通过塞曼分裂，能够扩大碱金属简并的不同能级间的能隙，提高分辨率。其结果是，能够提高原子振荡器1的振荡频率的精度。
该磁场产生部8具有电磁线圈(后述的线圈81)，如在本实施方式中详细记述那样，该电磁线圈被配置成覆盖气室2。
此外，磁场产生部8产生的磁场是恒定磁场(直流磁场)，但是也可以叠加交变磁场。
[控制部]
控制部10具有分别控制的功能光射出部3、加热器6和磁场产生部8的功能。
该控制部10具有：激励光控制部12，其控制光射出部3的共振光1、2的频率；温度控制部11，其控制气室2中的碱金属的温度；以及磁场控制部13，其控制来自磁场产生部8的磁场。
激励光控制部12根据上述光检测部5的检测结果，控制从光射出部3射出的共振光1、2的频率。更具体而言，激励光控制部12控制从光射出部3射出的共振光1、2的频率，使得上述频率差(ω1－ω2)成为上述碱金属的固有频率ω0。
这里，虽然未图示，但激励光控制部12具有压控型石英振荡器(振荡电路)，其根据光检测部5的检测结果，对该压控型石英振荡器的振荡频率进行同步/调整，并将该压控型石英振荡器的输出信号作为原子振荡器1的输出信号进行输出。
例如，虽未图示，但激励光控制部12具有对来自该压控型石英振荡器的输出信号进行频率增倍的倍频器，将利用该倍频器频率增倍后的信号(高频信号)叠加于直流偏置电流，并作为驱动信号输入到光射出部3。由此，对压控型石英振荡器进行控制以利用光检测部5检测EIT信号，由此，能够从压控型石英振荡器输出期望的频率的信号。例如，当设来自原子振荡器1的输出信号的期望的频率为f时，该倍频器的倍频率为ω0/(2×f)。由此，当压控型石英振荡器的振荡频率为f时，能够使用来自倍频器的信号，对包含于光射出部3的半导体激光器等发光元件进行调制，使其射出频率差(ω1－ω2)为ω0的两种光。
此外，温度控制部11根据温度传感器7的检测结果，控制对加热器6的通电。由此，能够使气室2维持在期望的温度范围内。例如，气室2借助加热器6被温度调节到例如70℃左右。
此外，磁场控制部13控制对磁场产生部8的通电，使得磁场产生部8产生的磁场恒定。
这样的控制部10例如被设置在安装于基板上的IC芯片中。
以上，对原子振荡器1的结构进行了简单说明。
(气室、光射出部以及磁场施加单元的详细说明)
图4的(a)是示出图1所示的原子振荡器具有的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图，图4的(b)是示出图4的(a)所示的原子室中的磁场强度(磁通密度)的分布的曲线图。图5是用于说明光偏移的曲线图。图6的(a)是示出作用于原子室内的金属的光的光量密度与频率偏移量之间的关系(光偏移)的曲线图，图6的(b)是示出作用于原子室内的金属的磁场的磁通密度与频率偏移量之间的关系(塞曼偏移)的曲线图。此外，以下，为了便于说明，将图4的(a)中的上侧称作“上”，将下侧称作“下”。
如图4的(a)所示，气室2具有主体部21和隔着主体部21设置的一对窗部22、23。在该气室2中，主体部21被配置在1对窗部22、23之间，主体部21和1对窗部22、23划分形成(构成)封入有气体状的碱金属的内部空间S。
更具体而言，主体部21呈以上下方向为厚度方向的板状，在该主体部21形成有在主体部21的厚度方向(上下方向)上贯通的圆柱状的贯通孔211。
作为该主体部21的结构材料，没有特别限定，可举出玻璃材料、石英、金属材料、树脂材料、硅材料等，其中，优选使用玻璃材料、石英、硅材料中的任意一种，更优选使用硅材料。由此，即使在形成宽度或高度为10mm以下那样小的气室2的情况下，也能够容易地使用蚀刻等精细加工技术来形成高精度的主体部21。尤其是，硅能够进行基于蚀刻的精细加工。因此，通过使用硅来构成主体部21，即使实现气室2的小型化，也能够简单且高精度地形成主体部21。此外，窗部22、23通常由玻璃构成，而硅的热传导性优于玻璃。因此，能够使主体部21的散热性优异。此外，在窗部22、23是由玻璃构成的情况下，能够利用阳极接合来简单且气密地使主体部21与窗部22、23接合，能够使气室2的可靠性优异。
这样的主体部21的下表面与窗部22接合，另一方面，主体部21的上表面与窗部23接合。由此，贯通孔211的下端侧开口被窗部22封闭，并且，贯通孔211的上端侧开口被窗部23封闭。
作为主体部21与窗部22、23的接合方法，可根据这些结构材料来决定，只要能够气密地接合，则没有特别限定，例如，可以使用基于粘接剂的接合方法、直接接合法、阳极接合法、表面活性化接合法等，但优选使用直接接合法或阳极接合法。由此，能够简单且气密地使主体部21与窗部22、23接合，能够使气室2的可靠性优异。
与这样的主体部21接合的各窗部22、23对于来自上述光射出部3的激励光具有透过性。而且，一个窗部22是激励光LL朝气室2的内部空间S内入射的入射侧窗部，另一个窗部23是激励光LL从气室2的内部空间S内射出的出射侧窗部。此外，窗部22、23分别呈板状。
作为窗部22、23的结构材料，只要具有上述那样的针对激励光的透过性，则没有特别限定，例如，可举出玻璃材料、石英等，但优选使用玻璃材料。由此，能够实现具有针对激励光的透过性的窗部22、23。此外，在主体部21是由硅构成的情况下，通过使用玻璃来构成窗部22、23，能够利用阳极接合，简单且气密地使主体部21与窗部22接合，能够使气室2的可靠性优异。此外，根据窗部22、23的厚度或激励光的强度的不同，也可以用硅来构成窗部22、23。在该情况下，能够使主体部21与窗部22、23进行直接接合或阳极接合。
在被这样的窗部22、23封闭的贯通孔211内的空间即内部空间S中，主要收纳有气体状的碱金属。该内部空间S内收纳的气体状的碱金属被激励光LL激励。即，内部空间S的至少一部分构成供激励光LL通过的“光通过空间”。在本实施方式中，内部空间S的横截面呈圆形，另一方面，光通过空间的横截面呈与内部空间S的横截面相似的形状(即圆形)，且被设定为略小于内部空间S的横截面。此外，内部空间S的横截面形状不限于圆形，例如，也可以是四边形、五边形等多边形、椭圆形等。
如图4的(a)所示，来自光射出部3的激励光LL入射到如以上说明的那样构成的气室2，但在内部空间S中，随着从激励光LL的入射侧朝向出射侧，激励光LL的宽度扩大。
内部空间S中的激励光LL的放射角、即在本实施方式中从光射出部3射出的激励光LL的放射角θ优选为超过0°且为90°以下，更优选为10°以上且60°以下，进一步优选为20°以上且40°以下。由此，即使减小光射出部3与气室2之间的距离，也能够有效地利用来自光射出部3的激励光LL来产生原子共振现象。
此外，如图4的(a)所示，沿着主体部21的周向，在气室2上卷绕有线圈81。该线圈81是沿着激励光LL在内部空间S中的行进方向(图4的(a)所示的照射方向)配置的电磁线圈。
如上所述，当激励光LL在内部空间S中一边扩开一边行进的情况下，在假设来自线圈81的磁场的磁通密度在内部空间S中均匀时，如图5所示，由于被称作光偏移的现象的影响，因原子共振现象而产生的EIT信号成为扭曲的形状(非对称的形状)，其结果是，频率稳定度下降。
因此，线圈81的匝数随着远离光射出部3而增加。此外，随之，线圈81的外径随着远离光射出部3而增大。在本实施方式中，线圈81的外径随着远离光射出部3而增大的比例是固定的。此外，线圈81的窗部22侧的壁厚t1小于窗部23侧的壁厚t2。
如图4的(b)中的实线a或双点划线b所示，这样的线圈81产生的磁场在内部空间S中具有强度随着从激励光LL的入射侧朝向出射侧而增大的部分。更具体而言，在内部空间S中，来自线圈81的磁场的强度随着从激励光LL的入射侧朝向出射侧而连续地增大。由此，在气室2的内部空间S中，随着从激励光LL的入射侧朝向出射侧，来自光射出部3的光量密度减小，另一方面，磁场的强度增大。
通过这样的激励光LL的光量密度与来自线圈81的磁场的磁通密度之间的关系，能够使如图6的(a)所示的光量密度越大则频率越高的现象即光偏移(斯塔克移位)导致的频率变动、与如图6的(b)所示的磁通密度越大则频率越高的现象即塞曼偏移导致的频率变动相互抵消或缓和。因此，降低了因原子共振现象而产生的EIT信号的扭曲，其结果是，能够提高频率稳定度。
此外，产生这样的磁场的线圈81的匝数随着远离光射出部3而增加，因此，结构比较简单，能够容易地制造。
此外，构成线圈81的线材的粗细可以是固定的，但也可以随着远离光射出部3而变粗，由此，在内部空间S中，能够有效地使来自线圈81的磁场随着从激励光LL的入射侧朝向出射侧而增大。
此外，在设激励光LL在内部空间S的入射面221处的光偏移导致的频率偏移量为f2(P2)、激励光LL在内部空间S的出射面231处的光偏移导致的频率偏移量为f1(P1)、激励光LL在内部空间S的入射面221处的塞曼偏移导致的频率偏移量为f2(B2)、激励光LL在内部空间S的出射面231处的塞曼偏移导致的频率偏移量为f1(B1)时，优选为设定为[f2(P2)+f2(B2)]与[f1(P1)+f1(B1)]相等，具体而言，优选为使[f2(P2)+f2(B2)]与[f1(P1)+f1(B1)]之比为0.9以上且1.1以下，更优选为0.95以上且1.05以下，进一步优选为0.98以上且1.02以下。由此，能够有效地使光偏移导致的频率变动与塞曼偏移导致的频率变动相互抵消或缓和。
此外，如图6的(a)所示，光偏移导致的频率偏移量以一次函数的方式变化，与此相对，如图6的(b)所示，塞曼偏移导致的频率偏移量以二次函数的方式变化。来自线圈81的磁场在内部空间S中可以如图4的(b)中的双点划线b所示那样以1次函数的方式变化，但优选的是，如图4的(b)中的实线a所示那样，为了以一次函数的方式对塞曼偏移进行校正，而以二次函数的方式变化。由此，能够有效地使光偏移导致的频率变动与塞曼偏移导致的频率变动相互抵消或缓和。
＜第2实施方式＞
接下来，对本发明的第2实施方式进行说明。
图7是示出本发明的第2实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
本实施方式除了磁场施加单元具有的线圈的结构不同以外，与上述第1实施方式相同。
此外，在以下的说明中，关于第2实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，省略相同事项的说明。
如图7所示，本实施方式的磁场产生部8A(磁场施加单元)具有线圈81A，该线圈81A沿着气室2的主体部21的周向卷绕。该线圈81A的匝数随着远离光射出部3而增加，线圈81A的外径随着远离光射出部3而以二次函数的方式增大。由此，能够在内部空间S中，如图4的(b)中的双点划线b所示那样，为了以一次函数的方式对塞曼偏移进行校正，而使来自线圈81A的磁场以二次函数的方式变化，从而有效地使光偏移导致的频率变动与塞曼偏移导致的频率变动相互抵消或缓和。
通过以上说明那样的第2实施方式，也能够提高频率稳定度。
＜第3实施方式＞
接下来，对本发明第3实施方式进行说明。
图8是示出本发明的第3实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
本实施方式除了磁场施加单元具有的线圈的结构不同以外，与上述第1实施方式相同。
此外，在以下的说明中，关于第3实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，省略相同事项的说明。
如图8所示，本实施方式的磁场产生部8B(磁场施加单元)具有线圈81B，该线圈81B沿着气室2的主体部21的周向卷绕。随着远离光射出部3，该线圈81B的壁厚t固定，但该线圈81B与内部空间S之间的距离d减小。由此，在内部空间S中，线圈81B与激励光LL的轴线之间的距离随着远离光射出部3而减小。通过这样的结构，能够与上述第1实施方式同样地，以比较简单的结构在气室2的内部空间S中产生磁场，该磁场的强度随着从激励光LL入射侧朝向出射侧连续或断续地增大。
通过以上说明那样的第3实施方式，也能够提高频率稳定度。
＜第4实施方式＞
接下来，对本发明的第4实施方式进行说明。
图9是示出本发明的第4实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
本实施方式除了磁场施加单元具有的线圈的结构不同以外，与上述第1实施方式相同。
此外，在以下的说明中，关于第4实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，省略相同事项的说明。
如图9所示，本实施方式的磁场产生部8C(磁场施加单元)具有线圈81C，该线圈81C沿着气室2的主体部21的周向卷绕。随着远离光射出部3，该线圈81C的壁厚t固定，但与内部空间S之间的距离d以二次函数的方式减小。在内部空间S中，线圈81C与激励光LL的轴线之间的距离随着远离光射出部3而以二次函数的方式减小。通过这样的结构，能够上述第1实施方式同样地，以比较简单的结构在气室2的内部空间S中产生磁场，该磁场的强度随着从激励光LL入射侧朝向出射侧连续或断续地增大。尤其是，通过使线圈81C与激励光LL的轴线之间的距离以二次函数的方式变化，由此，在内部空间S中，能够如图4的(b)中的双点划线b所示那样，为了以一次函数的方式对塞曼偏移进行校正，而使来自线圈81C的磁场以二次函数的方式变化，能够有效地使光偏移导致的频率变动与塞曼偏移导致的频率变动相互抵消或缓和。
通过以上说明那样的第4实施方式，也能够提高频率稳定度。
＜第5实施方式＞
接下来，对本发明第5实施方式进行说明。
图10是示出本发明的第5实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
本实施方式除了磁场施加单元具有的线圈的结构不同以外，与上述第1实施方式相同。
此外，在以下的说明中，关于第5实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，省略相同事项的说明。
如图10所示，本实施方式的磁场产生部8D(磁场施加单元)具有：线圈81D，其沿着气室2的主体部21的周向卷绕；以及磁场调整部件82，其被配置在气室2与线圈81D之间。
随着远离光射出部3，线圈81D的壁厚t固定，而且，与激励光LL的轴线之间的距离固定。
磁场调整部件82具有磁屏蔽性(即屏蔽磁的性能)。更具体而言，磁场调整部件82的磁屏蔽性随着远离光射出部3而降低。由此，能够以比较简单的结构，在气室2的在内部空间S中产生磁场，该磁场的强度随着从激励光LL的入射侧朝向出射侧而连续或断续地增大。
例如，磁场调整部件82构成为包含具有磁屏蔽性的屏蔽材料，该屏蔽材料的浓度随着远离光射出部3而降低。
此外，磁场调整部件82的结构不限于此，例如，通过使厚度随着远离光射出部3而变薄，或者，适当地设定配置，也能够以比较简单的结构，在气室2的内部空间S中产生磁场，该磁场的强度随着从激励光LL的入射侧朝向出射侧而连续或断续地增大。
通过以上说明那样的第5实施方式，也能够提高频率稳定度。
＜第6实施方式＞
接下来，对本发明的第6实施方式进行说明。
图11是示出本发明的第6实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
本实施方式除了磁场施加单元具有的线圈的结构不同以外，与上述第1实施方式相同。
此外，在以下的说明中，针对第6实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，针对相同的事项，省略其说明。
如图11所示，本实施方式的磁场产生部8E(磁场施加单元)具有线圈81E，该线圈81E沿着气室2的主体部21的周向卷绕。该线圈81E由线圈81a和配置在线圈81a的外侧的线圈81b构成。
线圈81a被配置为跨越气室2的窗部22、23之间，而线圈81b被配置为偏向气室2的窗部23侧。通过这样的结构，也能够与上述第1实施方式同样地，以比较简单的结构在气室2的内部空间S中产生磁场，该磁场的强度随着从激励光LL入射侧朝向出射侧连续或断续地增大。尤其是，通过独立地控制流过线圈81a、81b的电流，能够比较容易地产生期望的磁场。
通过以上说明那样的第6实施方式，也能够提高频率稳定度。
＜第7实施方式＞
接下来，对本发明的第7实施方式进行说明。
图12是示出本发明的第7实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
本实施方式除了磁场施加单元具有的线圈的结构不同以外，与上述第1实施方式相同。
此外，在以下的说明中，针对第7实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，针对相同的事项，省略其说明。
如图12所示，本实施方式的磁场产生部8F(磁场施加单元)具有线圈81F，该线圈81F沿着气室2的主体部21的周向卷绕。该线圈81F是亥姆霍兹线圈，其由配置在气室2的窗部22侧的线圈81c和配置在气室2的窗部23侧的线圈81d构成。
在本实施方式中，线圈81d的匝数大于线圈81c的匝数。由此，与上述第1实施方式同样地，能够以比较简单的结构在气室2的内部空间S中产生磁场，该磁场的强度随着从激励光LL入射侧朝向出射侧连续或断续地增大。
此外，通过独立地控制流过线圈81c、81d的电流，能够比较容易地产生期望的磁场。此外，即使线圈81d的匝数与线圈81c的匝数相同，也能够通过使流过线圈81d的电流大于流过线圈81c的电流，而在气室2的内部空间S中产生磁场，该磁场的强度随着从激励光LL入射侧朝向出射侧连续或断续地增大。
通过以上说明那样的第7实施方式，也能够提高频率稳定度。
＜第8实施方式＞
接下来，对本发明的第8实施方式进行说明。
图13是示出本发明的第8实施方式的原子室、光射出部以及磁场施加单元的示意性剖视图。
本实施方式除了磁场施加单元具有的线圈的结构不同以外，与上述第1实施方式相同。
此外，在以下的说明中，针对第8实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，针对相同的事项，省略其说明。
如图13所示，本实施方式的磁场产生部8G(磁场施加单元)具有线圈81G，该线圈81G沿着气室2的主体部21的周向卷绕。该线圈81G被配置为偏向气室2的窗部23侧。通过这样的结构，能够与上述第1实施方式同样地，以比较简单的结构在气室2的内部空间S中产生磁场，该磁场的强度随着从激励光LL入射侧朝向出射侧连续或断续地增大。
通过以上说明那样的第8实施方式，也能够提高频率稳定度。
2.电子设备
能够将以上说明那样的原子振荡器组装到各种电子设备中。这样的电子设备具有优异的可靠性。
以下，对本发明的电子设备进行说明。
图14是示出在利用了GPS卫星的定位系统中使用本发明的原子振荡器的情况下的概略结构的图。
图14所示的定位系统100由GPS卫星200、基站装置300和GPS接收装置400构成。
GPS卫星200发送定位信息(GPS信号)。
基站装置300具有：接收装置302，其例如经由设置在电子基准点(GPS连续观测站)的天线301，高精度地接收来自GPS卫星200的定位信息；以及发送装置304，其经由天线303发送由该接收装置302接收到的定位信息。
此处，接收装置302是具有上述本发明的原子振荡器1来作为其基准频率振荡源的电子装置。这样的接收装置302具有优异的可靠性。此外，由接收装置302接收到的定位信息被发送装置304实时地发送。
GPS接收装置400具有：卫星接收部402，其经由天线401接收来自GPS卫星200的定位信息；以及基站接收部404，其经由天线403接收来自基站装置300的定位信息。
3.移动体
图15是示出本发明的移动体的一例的图。
在该图中，移动体1500具有车体1501和4个车轮1502，并构成为通过设置在车体1501上的未图示的动力源(发动机)来使车轮1502旋转。在这样的移动体1500中，内置有原子振荡器1。
根据这样的移动体，能够发挥优异的可靠性。
此外，本发明的电子设备不限于上述设备，例如也可以应用于：移动电话、数字静态照相机、喷射式喷出装置(例如喷墨打印机)、个人计算机(移动型个人计算机、膝上型个人计算机)、电视机、摄像机、录像机、汽车导航装置、寻呼器、电子记事本(包含带通信功能的)、电子词典、计算器、电子游戏设备、文字处理器、工作站、电视电话、防盗用电视监视器、电子望远镜、POS终端、医疗设备(例如电子体温计、血压计、血糖仪、心电图计测装置、超声波诊断装置、电子内窥镜)、鱼群探测机、各种测量设备、计量仪器类(例如、车辆、飞机、船舶的计量仪器类)、飞行模拟器、地面数字广播、移动电话基站等。
以上，基于图示的实施方式，对本发明的原子共振跃迁装置、原子振荡器、电子设备以及移动体进行了说明，但本发明不限于这些。
此外，本发明的各部分的结构可以置换为发挥与上述实施方式相同功能的任意结构，此外，还可以附加任意结构。
此外，本发明可以使上述各实施方式的任意结构彼此组合。
Claims (11)
1.一种原子共振跃迁装置，其特征在于，具有：
原子室，其具有封入有金属的内部空间；
光射出部，其朝所述金属射出光，该光包含使所述金属共振的共振光对；以及
磁场施加单元，其对所述金属施加磁场，
在所述内部空间中，所述光的宽度随着从所述光的入射侧朝向出射侧而扩大，
所述磁场具有强度在所述内部空间中随着从所述光的入射侧朝向出射侧而增大的部分。
2.根据权利要求1所述的原子共振跃迁装置，其中，
所述磁场的强度在所述内部空间中随着从所述光的入射侧朝向出射侧而连续或断续地增大。
3.根据权利要求1所述的原子共振跃迁装置，其中，
所述磁场施加单元具有沿着所述光的行进方向配置的线圈。
4.根据权利要求3所述的原子共振跃迁装置，其中，
所述线圈包含随着远离所述光射出部而匝数增大的部分。
5.根据权利要求3所述的原子共振跃迁装置，其中，
所述线圈包含随着远离所述光射出部而与所述光的轴线之间的距离减小的部分。
6.根据权利要求3所述的原子共振跃迁装置，其中，
所述磁场施加单元具有磁场调整部件，该磁场调整部件被配置在所述线圈与所述内部空间之间并具有磁屏蔽性。
7.根据权利要求6所述的原子共振跃迁装置，其中，
所述磁场调整部件具有随着远离所述光射出部而磁屏蔽性降低的部分。
8.根据权利要求1所述的原子共振跃迁装置，其中，
所述内部空间中的所述光的放射角超过0°且为90°以下。
9.一种原子振荡器，其特征在于，
该原子振荡器具有权利要求1所述的原子共振跃迁装置。
10.一种电子设备，其特征在于，
该电子设备具有权利要求1所述的原子共振跃迁装置。
11.一种移动体，其特征在于，
该移动体具有权利要求1所述的原子共振跃迁装置。
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